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《机器人构建实战》——2.1 舵机的基础知识

简介:
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本节书摘来异步社区《机器人构建实战》一书中的第2章,第2.1节,作者:丘柳东 ,王牛 ,李瑞峰 ,陈阳,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

2.1 舵机的基础知识

2.1.1 舵机及其工作原理

舵机主要用来控制转向,在船舶、飞机、航模等场合有着广泛的应用,如图2.1所示。机器人技术的兴起,足式和复合型运动机构运来越多地出现在机器人上,而这些机构都是舵机大展拳脚的地方。

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除了外壳,舵机的核心组成部分(见图2.2)包括直流电动机、减速齿轮(组)、角度传感器和控制电路,这4个部分使舵机成为一个带有角度反馈的自动控制系统。

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其工作流程如图2.3所示,具体如下。

① 控制电路接收外部角度控制信号,判断直流电动机的转动方向。

② 驱动直流电动机转动,通过减速齿轮组将动力传至舵机摆臂。

③ 角度传感器检测当前角度信息并反馈给控制电路。

④ 判断是否已经到达指定角度,如果到达停止转动,否则继续转动。

舵机与普通直流电动机的区别如下。

转动范围不同:舵机在一定角度范围内运动,而直流电动机则是360°范围内转动。

反馈有无不同:普通直流电机无法反馈转动的角度信息,需要加装检测模块,舵机由于集成了角度传感器,能够反馈角度信息。

应用场合不同:普通直流电机一般是做动力用,主要是对转动的速度进行控制,舵机用于精确的角度控制,到达指定角度后会停止。

2.1.2 舵机的主要参数

舵机的参数是用来判断舵机性能高低的标准。舵机具有以下主要参数。

转动范围:舵机的最基础参数。舵机的转动范围一般在360°以内,范围越大,适用场合越多。但是有可能角度分辨率越低。

最大转矩:代表舵机的负载能力。转矩的单位是kg/cm,表示舵机在摆臂长度1cm处,能吊起几千克重的物体;

最大转动速度:表示运动性能的高低。转动速度的常见单位是/60°,意思是舵机转动60°所需要的时间。

角度分辨率:表示舵机的角度转动精度,受到转动范围和量化值范围的共同影响。如果量化值固定,那么转动范围越大,角度分辨率则越低。

此外,舵机输出轴、减速齿轮采用的材质(常见为塑料和金属),也是判断舵机品质的一个重要标准。

2.1.3 数字舵机

传统的模拟舵机需要外部不断地提供PMW信号进行角度的定位。PWM信号一般以20ms为一个周期,用一个(1.5±0.5)ms的脉冲来控制舵机的角度。

数字舵机只需要发送一次PWM信号就能保持在指定的某个位置。由于具有模拟舵机没有的微处理器,数字舵机具有以下优势。

① 数字舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前,根据设定的参数对输入信号进行处理。这意味着控制脉冲的宽度,可以根据微处理器的程序运算而调整,以适应不同的功能要求,并优化舵机的性能。

② 数字舵机向电动机发送控制脉冲的频率更高。使得电动机在同一时间里收到更多的激励信号,反应更快。

因此,数字舵机的加速和减速更迅速、更柔和,能够提供更高的精度和更好的固定力量,防抖动功能更强。

2.1.4 博创CDS5516数字舵机

博创CDS5516数字舵机(见图2.4)属于一种集电动机、伺服驱动、总线式通信接口为一体的集成伺服单元,主要用于微型机器人的关节、运动轮、履带驱动,也可用于其他简单位置的控制场合。CDS5516数字舵机的特点如下。

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① 大转矩:16kgf·cm的持续转动输出转矩,大于20kgf·cm的位置保持转矩。

② 位置伺服控制模式下转动范围0~300°。

③ 高转速:最高0.16 s/60°输出转速。

④ 在速度控制模式(电动机模式)下可连续旋转,调速。

⑤ 总线连接,理论上可串联254个单元。

⑥ 0.32°位置分辨率,高达1M通信波特率。

⑦ 具备位置、温度、电压、速度反馈。

CDS5516数字舵机具有两个相同功能的接口,任意一个都可以连接控制器或其他舵机,满足在搭建的机器人进行舵机的串联。

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